脉冲激光同步测量,CCD,相机系统的研制

引言

激光光强空间分布是激光的一项重要特性，对于研究激光的光束质量、光束的空间结构、光束的发散角以及其他的各种特性都有直接关系。现阶段多数的CCD相机系统是针对连续激光而配置的，准确地捕捉脉冲、尽可能地消除杂散光的影响、准确反映光斑能量分布是连续光测量和脉冲光测量地主要区别。激光光斑的测量采用异步触发CCD摄像机在远距离采集激光光斑的图像，然后运用图像处理的方法，测量激光光斑的空间位置和能量分布是一种比较理想的方法，并且得到了成功的应用。激光光斑存在的时间非常短，本课题中激光脉冲是微秒级，而且光斑出现的时间与摄像机的扫描不同步。因此，有可能捕捉不到或捕到的不是最亮的光斑图像，为了确保采集到连续的光斑图像，且每一幅光斑图像都是完整的，而且是光斑最亮时刻的图像，必须采用由激光脉冲产生的开关脉冲去触发异步触发扫描CCD摄像机，使得CCD摄像机在激光光斑到来之前，提前打开电子快门让光斑正好出现在快门开启的中间时刻。

脉冲激光的探测是本课题研究的主要内容，自行研制的CCD相机系统实现了针对脉冲激光与CCD相机系统曝光时间的同步问题。在实际工作中，控制脉冲激光使能信号和CCD相机系统的触发信号，通过试验协调各个组件之间的延时，实现了对微秒级脉冲激光的探测。

脉冲激光CCD相机系统工作原理

脉冲激光探测途径主要有四种：1）直射光束，最强的光源及初始激光脉冲的最佳重复；2）在目标车辆的邻近部位或邻近物体上的激光溅射光；3）从邻近大气上的散射激光，产生微弱的、在时间上有周期的脉冲激光；4）从内部的涂覆物及激光器出口处的散射激光。以上四种探测路径中只有直射光束和出口散射光能够到达目标倾斜位置的接收机上，而目标溅射光及大气散射光与目标的位置关系则很小。在本课题中，主要研究直射光束和出口散射光的情况。

CCD相机接收激光光源发出的激光信号，根据接收到的激光开关信号产生CCD相机系统的曝光使能信号，并根据接收到的曝光使能信号进行图像采集。本系统中，激光器发出的激光信号是一个非固定频率的激光信号。因此，激光脉冲到达CCD相机靶面之前需要触发CCD相机的曝光功能，提前打开电子快门脉冲控制曝光的时刻，让激光回波正好在快门打开中间到达CCD靶面，这样CCD相机所探测的激光脉冲才是完整的激光脉冲所产生的CCD相机探测信号的波形。

CCD相机曝光时刻和激光的回波频率相同，但有一个超前的相位，即电子快门的触发脉冲在每个激光脉冲到来前固定的时间间隔，产生从而保证CCD获得激光光斑的最亮的图像超前的相位大小。可根据具体的CCD相机的电子快门控制要求来确定，从理论上讲如果得到激光脉冲的基频，以后就可以使用固定的同频脉冲去产生电子快门触发脉冲。

脉冲激光CCD相机系统设计方案

利用同步信号发生装置发出激光光源同步信号，控制激光光源的频率和调制脉宽，同时也发出CCD相机系统的同步信号，该同步信号在CCD相机系统内部分离为CCD探测器曝光脉冲信号和电荷转移信号，图像转移完毕后，计算机通过图像采集卡采集本次获得的图像信号（如图1所示）。

该系统方案中的设计难点：1）计算机发出的控制信号需要通过同步信号发生装置转变为激光光源和CCD相机系统都能识别的同步脉冲信号，由于各个组件之间的延迟是未知的，故只有通过试验调试把激光光源的频率和调制脉宽调整到与CCD相机系统同步；2）CCD相机系统的外触发脉冲的捕获判决和图像的转移；3）计算机上的图像采集软件的编写和调试。

CCD相机系统设计

1CCD探测器的吸收光谱设计

该系统中脉冲激光波长为960nm±20nm。在探测器选择上，考虑到设计硬件成本，考虑采用Si衬底材料的CCD探测器。Si探测器的主要吸收波长在400～1100nm，可以覆盖960nm的脉冲激光波长，但是由于激光波长接近Si探测器的截止波长，针对该波长的吸收效率较低。为了弥补Si探测器的效率较低的缺陷，在光学镜头的设计上，考虑到系统探测指标，故把镜头的F数设计为1～8连续可调。系统中选取了Kodak公司生产的CCD探测器KAI-1020，有效像素为1000（H）×1000（V）。该探测器的光谱吸收曲线如图2所示。依据CCD探测器光谱吸收曲线可知，该探测器能够满足该波长激光的探测试验。

2激光器与CCD相机系统同步工作的设计

CCD相机系统的工作周期分为两个阶段：光积分阶段和电荷转移阶段。光积分阶段先将上一帧转移到移位寄存器中的信号向输出放大器移位并清空各个势阱中的无效电荷，同时完成电荷的积累；电荷转移阶段实现电荷向移位寄存器的转移。

依据计算机发出的同步信号（见图3），激光光源在下降沿后5μs到上升沿到来前之间的20μs内使能，激光光源激发出调制好的脉冲激光（见图3中t2）。CCD相机系统在识别到下降沿后开始开启电子快门脉冲，实现上述的第一个工作阶段，即曝光时间开始（见图3中t1）。CCD相机系统在识别到上升沿后开始进行电荷转移工作，实现上述的第二个工作阶段，即曝光结束，同时向采集卡输出图像信号。

在激光器与CCD相机系统同步工作的设计中，还需要提到同步脉冲的生成方式。同步生成器通过计算机传输指令，生成了激光器和CCD相机系统需要的同步信号。理论上，这两个信号之间的是没有延迟的，实际经过测试，发现激光器延迟较大。故需要调整各个组件之间的延迟来实现激光器和CCD相机系统之间的同步。

3CCD相机读出电路的设计

系统上电后，FPGA开始内部复位，识别到激光器外同步信号后，产生CCD（KAI-1020）所需要的TTL电平的垂直时序（Vertical_Timing）、水平时序（Horizontal_Timing）、复位时序（ResetTiming）和电子快门时序（SUBTiming）。垂直、水平、复位和电子快门时序经过H-Driver、V-Driver、Reset-Driver和SUB-Driver后，驱动电平调整为CCD（Kai-1020）所需要的电平。CCD经过垂直、水平驱动后，根据驱动电平时序产生出CCD模拟输出信号。此信号经过AD9945芯片进行模数转换后，输出12b的数字信号。数字信号进入FPGA后进行图像与同步信号合成，最终图像通过LVDS方式传输给采集卡。具体控制逻辑如图4所示。

结论

综上所述，通过试验调试解决了CCD相机与脉冲激光之间的同步问题，准确的捕捉到脉宽为微秒数量级的脉冲激光。该课题可以适用于测量激光光强空间分布，也可以应用于瞬态过程光强空间分布。通过调试完成了对960nm脉冲激光器所产生的光斑的探测，使用短焦距光学系统所成图像如图5所示，使用长焦距光学系统所成图像如图6所示。

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